王立剛 劉家祥 趙 凱 于 源*

(北京化工大學(xué) 1.機(jī)電工程學(xué)院；2.材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029)

引 言

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的快速發(fā)展，粉體原料和制品的需求逐年增加，如何制備并分級(jí)得到窄粒度分布的超細(xì)粉體受到廣泛關(guān)注。渦流空氣分級(jí)機(jī)由于具有操作簡(jiǎn)單、粒徑可調(diào)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于化工、制藥、建材加工、燃料電池等各個(gè)行業(yè)[1-2]。分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)是影響分級(jí)性能的關(guān)鍵因素，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從以下兩個(gè)方面開(kāi)展對(duì)分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)的研究：(1)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備關(guān)鍵組件如轉(zhuǎn)籠、導(dǎo)風(fēng)葉片、喂料裝置等進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化[3-5]；(2)通過(guò)分級(jí)機(jī)淘洗區(qū)內(nèi)部的輔助組件改善分級(jí)機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)分布。張勝林等[6]設(shè)計(jì)了一種新型下錐體結(jié)構(gòu)用于優(yōu)化分級(jí)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分布，該新型下錐體采用環(huán)狀全斷面進(jìn)風(fēng)，可使氣流軸向速度分布均勻，避免了分選盲區(qū)的情況出現(xiàn)，提高了分級(jí)機(jī)的再次分選能力和分級(jí)效率。刁雄等[7]對(duì)比分析了分級(jí)機(jī)內(nèi)導(dǎo)流片的有無(wú)及葉片的數(shù)量和尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)安裝導(dǎo)流片可以優(yōu)化流場(chǎng)的分布，導(dǎo)流片的尺寸和數(shù)量對(duì)流場(chǎng)的壓力、速度和顆粒的質(zhì)量濃度分布均有較大影響。周巖等[8]對(duì)臥式分級(jí)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)，在分級(jí)機(jī)內(nèi)部增加三角形擾流組件，提高物料的二次分散效果。Sun等[9]對(duì)進(jìn)風(fēng)口處的三角形擋板進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)擋板將主進(jìn)風(fēng)分為兩部分，且兩部分氣流速度逐漸增加有利于原料的分散；此外，由于擋板的阻礙，氣流進(jìn)入分級(jí)室后形成無(wú)二次渦的偏心旋流，使得流場(chǎng)分布均勻。上述研究成果表明，空氣分級(jí)機(jī)淘洗區(qū)輔助組件對(duì)其內(nèi)部的流場(chǎng)分布及顆粒的分級(jí)效果具有顯著影響。因此，本文以立式渦流分級(jí)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究位于淘洗區(qū)的擾流錐對(duì)分級(jí)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)分布和顆粒分級(jí)的影響，并進(jìn)行物料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為分級(jí)機(jī)內(nèi)部輔助組件的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 立式渦流空氣分級(jí)機(jī)模型

1.1 工作原理及模型建立

渦流空氣分級(jí)機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心部件為轉(zhuǎn)籠，利用轉(zhuǎn)籠高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力和氣流曳力使粗細(xì)顆粒分離。分級(jí)機(jī)的主要工作原理如下：由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用在裝置內(nèi)部形成負(fù)壓，空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入分級(jí)機(jī)，在進(jìn)氣蝸殼作用下形成旋轉(zhuǎn)氣流，氣流在淘洗區(qū)筒體內(nèi)沿著擾流錐旋流向上，上升到轉(zhuǎn)籠和筒體內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)籠葉片間通道(轉(zhuǎn)籠由電機(jī)軸帶動(dòng)繞Z軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))，再由細(xì)粉出口離開(kāi)分級(jí)機(jī)。粉體通過(guò)喂料口由螺旋加料裝置進(jìn)入淘洗區(qū)筒體進(jìn)行預(yù)分散。預(yù)分散可以使粗大的顆粒由于重力作用落入粗粉收集漏斗收集為粗粉，較小的顆粒隨著旋流上升的氣流上升至環(huán)形區(qū)，粗細(xì)顆粒主要在環(huán)形區(qū)進(jìn)行分級(jí)。細(xì)顆粒在環(huán)形區(qū)會(huì)因受到的空氣曳力大于慣性離心力而隨著氣流進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，再隨氣體從細(xì)粉出口流出；粗顆粒在環(huán)形區(qū)會(huì)因?yàn)槭艿降目諝庖妨π∮趹T性離心力而向筒體的內(nèi)壁面運(yùn)動(dòng)，最后與壁面碰撞后失去動(dòng)能，在重力作用下下落，經(jīng)過(guò)淘洗區(qū)筒體最后到達(dá)粗粉收集漏斗收集為粗粉。

1—粗粉收集漏斗；2—進(jìn)氣蝸殼；3—淘洗區(qū)筒體；4—環(huán)形區(qū)；5—細(xì)粉出口；6—電機(jī)軸；7—轉(zhuǎn)籠；8—擾流錐；9—喂料口；10—進(jìn)風(fēng)口。

利用三維建模軟件Solidworks對(duì)立式渦流空氣分級(jí)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，主要尺寸如下：進(jìn)風(fēng)口截面寬50 mm，高34 mm；轉(zhuǎn)籠內(nèi)外緣直徑分別為126 mm和156 mm，高90 mm；在直徑為141 mm的圓周上均布36個(gè)轉(zhuǎn)籠葉片，葉片與所在位置圓切線呈120°傾角，轉(zhuǎn)籠葉片的長(zhǎng)、寬、高分別為15、5、90 mm。

淘洗區(qū)筒體由上部的圓柱和下部的圓臺(tái)組成，圓柱部分的直徑為200 mm，高300 mm，圓臺(tái)上、下底面直徑分別為200 mm和158 mm，高90 mm。淘洗區(qū)筒體內(nèi)的擾流錐與筒體同軸，擾流錐底面圓心為模型原點(diǎn)，設(shè)其所在平面為Z=0。擾流錐由上、下兩部分組成，上部分是上、下底面直徑分別為30、140 mm，高105 mm的圓臺(tái)，下部分是直徑140 mm、高100 mm的圓柱。

1.2 網(wǎng)格劃分及模擬參數(shù)設(shè)置

利用前處理軟件ICEM-CFD對(duì)有/無(wú)擾流錐的分級(jí)機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有、無(wú)擾流錐結(jié)構(gòu)分別用Type-A和Type-B表示，如圖2所示。因?yàn)榉旨?jí)機(jī)整體結(jié)構(gòu)為類圓柱形，所以采用“O”型網(wǎng)格劃分方法來(lái)產(chǎn)生規(guī)則的六面體網(wǎng)格。在數(shù)值模擬之前，分別以96萬(wàn)、164萬(wàn)、463萬(wàn)和830萬(wàn)的網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。取不同Z平面上不同位置處的測(cè)線，比較其切向速度、徑向速度和軸向速度的大小，例如選取Z=300 mm平面上Y=0、X=-65～65 mm的一條測(cè)線，得到不同網(wǎng)格數(shù)量模型在該測(cè)線的切向速度分布，如圖3所示。可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為463萬(wàn)時(shí)切向速度值基本不再變化。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間并保證計(jì)算準(zhǔn)確性，最終確定Type-A網(wǎng)格數(shù)為463萬(wàn)。Type-B模型網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證同上，最終確定網(wǎng)格數(shù)為444萬(wàn)。采用ANSYS-Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，由于分級(jí)機(jī)內(nèi)部是存在旋渦的湍流流場(chǎng)，因此選用重整化群(RNG)k-ε雙方程模型，該模型針對(duì)旋渦在湍流流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)作了特定優(yōu)化，可提高模擬的準(zhǔn)確性[10]。采用多重參考坐標(biāo)系模型(multiple reference frame，MRF)作為運(yùn)動(dòng)區(qū)域計(jì)算模型，其中轉(zhuǎn)籠為運(yùn)動(dòng)區(qū)域，其余部分為靜止區(qū)域。采用SIMPLEC算法，該算法通過(guò)壓力與速度的耦合來(lái)提高收斂性，設(shè)置殘差精度為10-4。邊界條件中設(shè)置進(jìn)口風(fēng)類型為“velocity-inlet”，出口類型為“outflow”。為便于表述，采用進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速(單位m/s)-轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速(單位r/min)來(lái)表示操作參數(shù)的組合,如29-800工況即為進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速29 m/s，轉(zhuǎn)速800 r/min。本文選用的轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速分別為800 r/min和1 600 r/min，旨在反映不同工況下流場(chǎng)的分布規(guī)律。

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

1.3 氣相模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

壓差是空氣分級(jí)機(jī)重要的測(cè)量指標(biāo)之一，常被用于驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12]。本文通過(guò)對(duì)比29-800和29-1 600兩種不同工況下的單相氣流實(shí)驗(yàn)壓差和模擬壓差數(shù)據(jù)，來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。模擬壓差為進(jìn)風(fēng)口的面積加權(quán)平均靜壓與細(xì)粉出口的面積加權(quán)平均靜壓之差，實(shí)驗(yàn)壓差為U型壓差計(jì)(CJM-580型，衡水創(chuàng)紀(jì)儀器儀表有限公司)測(cè)量的進(jìn)風(fēng)口和細(xì)粉出口的壓差，結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)量壓差和模擬結(jié)果相差在4%以內(nèi)，說(shuō)明模擬結(jié)果真實(shí)可靠。

表1 實(shí)驗(yàn)壓差和模擬壓差的對(duì)比

2 擾流錐對(duì)淘洗區(qū)筒體內(nèi)流場(chǎng)的影響

2.1 淘洗區(qū)筒體內(nèi)流線圖分析

圖4為Type-A和Type-B兩種模型在29-800和29-1 600兩種工況下的流線分布圖。可以看出Type-A模型的擾流錐明顯阻礙了旋渦的形成。不過(guò)隨著旋轉(zhuǎn)氣流沿著軸向繼續(xù)上升至筒體中部，由于擾流錐直徑減小，氣流的過(guò)流面積增大，導(dǎo)致在淘洗區(qū)筒體頂部形成了新的偏心旋渦。Type-B模型由于沒(méi)有擾流錐的阻礙作用，在筒體內(nèi)部的旋渦從底部一直延伸到頂部。擾流錐的有無(wú)使得兩種模型中旋渦的形成產(chǎn)生差異，從而影響速度v的分布。Type-A模型淘洗區(qū)筒體內(nèi)氣流的絕對(duì)速度整體較小，而Type-B模型該區(qū)域的氣流絕對(duì)速度較大(圖中紅色區(qū)域)。氣流速度對(duì)顆粒的分散性能有著重要影響，較高的風(fēng)速可以提高細(xì)顆粒的分離效果[13]。淘洗區(qū)筒體內(nèi)氣流速度較小會(huì)導(dǎo)致顆粒不能充分預(yù)分散，使得細(xì)顆粒團(tuán)聚為假大顆粒，“魚鉤效應(yīng)”明顯。

圖4 淘洗區(qū)筒體內(nèi)兩種模型的流線分布圖

2.2 淘洗區(qū)筒體內(nèi)湍流動(dòng)能分析

湍流動(dòng)能k可以體現(xiàn)高頻脈動(dòng)的小尺寸湍渦數(shù)量，湍流動(dòng)能越大，表明高頻脈動(dòng)的小尺寸湍渦數(shù)量越多。圖5為29-800和29-1 600兩種工況下Type-A和Type-B模型在X=0截面的湍流動(dòng)能分布云圖。可以看出湍流動(dòng)能在筒體的中間位置較小，兩側(cè)位置較大，這是因?yàn)闅饬髟谏仙^(guò)程勢(shì)必會(huì)撞擊壁面導(dǎo)致氣流產(chǎn)生高頻脈動(dòng)的小尺寸湍渦。其中在淘洗區(qū)筒體右下角位置出現(xiàn)極值情況，這是因?yàn)榇宋恢谜龑?duì)進(jìn)風(fēng)口，氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣蝸殼的加速作用沿軸向旋流上升，氣流紊亂且流速較大，因此該位置的湍流動(dòng)能大。為了進(jìn)一步說(shuō)明淘洗區(qū)筒體位置的湍流動(dòng)能分布情況，分析不同平面的不同測(cè)線上的湍流動(dòng)能分布，發(fā)現(xiàn)其分布規(guī)律基本一致。以X=0截面上的4條測(cè)線(Z=-60、65、200、250 mm)為代表，對(duì)比不同測(cè)線上的湍流動(dòng)能分布情況，如圖6所示。可以看出在兩種工況下，4條測(cè)線上Type-A模型中測(cè)點(diǎn)的湍流動(dòng)能均小于Type-B模型中對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的湍流動(dòng)能，說(shuō)明Type-A模型中高頻脈動(dòng)的小尺寸湍渦數(shù)量較少。粉料團(tuán)聚體的解吸和粉體的分散作用是高頻脈動(dòng)的小尺寸湍渦與物料相互作用導(dǎo)致的結(jié)果[14]。較少的淘洗區(qū)筒體內(nèi)小尺寸湍渦數(shù)量盡管有利于氣流平穩(wěn)上升至環(huán)形區(qū)，但是會(huì)導(dǎo)致顆粒不能充分預(yù)分散，使得細(xì)顆粒團(tuán)聚為假大顆粒，“魚鉤效應(yīng)”明顯。

圖5 湍流動(dòng)能分布云圖(X=0)

圖6 淘洗區(qū)筒體測(cè)線湍流動(dòng)能曲線(X=0，Z=-60、65、200、250 mm)

3 擾流錐對(duì)環(huán)形區(qū)和轉(zhuǎn)籠葉片間通道流場(chǎng)的影響

3.1 擾流錐對(duì)環(huán)形區(qū)徑向速度的影響

選取轉(zhuǎn)籠區(qū)域不同高度的Z平面，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)Z平面高度對(duì)轉(zhuǎn)籠和環(huán)形區(qū)徑向速度分布的影響不大，因此以轉(zhuǎn)籠中間平面(Z=345 mm)為例進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7為Type-A和Type-B在環(huán)形區(qū)的徑向速度分布云圖，圖中徑向速度為負(fù)代表速度方向指向圓心?？梢钥闯鲈趦煞N工況下，兩種模型在環(huán)形區(qū)內(nèi)緣的徑向速度梯度變化較明顯，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)籠葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)附近氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，使得氣流流動(dòng)不平穩(wěn)，導(dǎo)致緊鄰葉片的環(huán)形區(qū)內(nèi)緣處徑向速度產(chǎn)生明顯的梯度變化。在29-800工況下，Type-A模型相對(duì)于Type-B模型徑向速度分布較為均勻。Type-A模型在環(huán)形區(qū)的大部分區(qū)域徑向速度在-0.87～-1.29 m/s范圍內(nèi)，但右下角位置處的徑向速度有突變，這是由單口進(jìn)風(fēng)所致，該情況多發(fā)生于旋風(fēng)分離器中[15-17]。Type-B模型的徑向速度整體上呈現(xiàn)左側(cè)數(shù)值較小、右側(cè)數(shù)值較大的分布規(guī)律，在環(huán)形區(qū)的大部分區(qū)域徑向速度在-0.87～-2.11 m/s范圍內(nèi)，其梯度變化大于Type-A模型且數(shù)值較大。在29-1 600工況下，Type-A模型環(huán)形區(qū)的徑向速度分布均勻，大部分區(qū)域的徑向速度在-0.47～-1.39 m/s范圍內(nèi)；Type-B模型大部分區(qū)域的徑向速度在-0.93～-1.85 m/s范圍內(nèi)，梯度變化大于Type-A模型且數(shù)值較大。

圖7 環(huán)形區(qū)徑向速度云圖(Z=345 mm)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種模型在環(huán)形區(qū)徑向速度分布的均勻性，在Z=345 mm平面上分別取R=80、85、90、95 mm這4條環(huán)線，在環(huán)線上各取100個(gè)測(cè)點(diǎn)，獲得相對(duì)應(yīng)的徑向速度并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差σ，其計(jì)算公式為

(1)

式中，vi為測(cè)點(diǎn)的徑向速度數(shù)值；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)定量分析環(huán)形區(qū)速度分布的均勻性。由于轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)形區(qū)徑向速度分布的影響較小，且29-1 600工況的速度分布曲線與29-800工況呈現(xiàn)的規(guī)律相似，故以29-800工況的速度分布曲線為例。

圖8為29-800工況下4條環(huán)線上的徑向速度分布曲線。圖8(a)為R=80 mm環(huán)線的徑向速度分布，可以看出相鄰的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間速度波動(dòng)較大，這是因?yàn)镽=80 mm環(huán)線為環(huán)形區(qū)內(nèi)緣，此處受到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的影響徑向速度變化較大，因此相鄰的測(cè)點(diǎn)間的差值較大，曲線呈鋸齒狀，計(jì)算得到該環(huán)線上Type-A和Type-B模型的徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差σ分別為0.575和0.756，表明后者的波動(dòng)更劇烈。R=85 mm和90 mm為環(huán)形區(qū)中部的環(huán)線，此時(shí)轉(zhuǎn)籠葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)徑向速度影響減小，相鄰測(cè)點(diǎn)間的徑向速度波動(dòng)減小，從圖8(b)、(c)可以看出曲線的鋸齒狀程度減小，且趨于平緩。R=85 mm 時(shí)Type-A和Type-B模型的徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.376、0.517，R=90 mm時(shí)分別為0.232、0.485，說(shuō)明Type-B模型的徑向速度波動(dòng)更劇烈。R=95 mm環(huán)線位置接近環(huán)形區(qū)壁面，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)徑向速度的影響最小，相鄰測(cè)點(diǎn)間的徑向速度差值更小，曲線整體平緩過(guò)渡，且由于壁面的阻礙作用徑向速度數(shù)值減小。Type-A和Type-B模型的徑向速度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.129和0.372，表明Type-B模型的徑向速度波動(dòng)更劇烈。由此可以看出Type-A模型的標(biāo)準(zhǔn)差均小于Type-B模型，即在環(huán)形區(qū)Type-A模型的徑向速度比Type-B的分布更均勻。此外，可以看到在Type-A模型的4條環(huán)線中，80號(hào)測(cè)點(diǎn)附近均出現(xiàn)徑向速度的突變，這是因?yàn)?0號(hào)測(cè)點(diǎn)位于環(huán)形區(qū)的右下角范圍，該突變是由分級(jí)機(jī)單口進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)所致，說(shuō)明單口進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)Type-A模型的影響更為明顯，這與圖7中Type-A模型環(huán)形區(qū)的徑向速度云圖分布特點(diǎn)一致。

圖8 環(huán)形區(qū)環(huán)線徑向速度曲線(Z=345 mm)

由上述分析可得，Type-A模型在環(huán)形區(qū)中徑向速度分布均勻但數(shù)值較小，Type-B模型徑向速度分布不均但數(shù)值較大，說(shuō)明擾流錐的存在可以使氣流平穩(wěn)地沿軸線方向旋轉(zhuǎn)上升，但也增加了能量的損耗，使得上升到環(huán)形區(qū)的氣流速度降低。

3.2 擾流錐對(duì)轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度的影響

圖9為29-800和29-1 600工況下，Type-A和Type-B模型在轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度分布云圖。為了方便描述葉片間通道位置，依次給各個(gè)葉片間通道做序號(hào)，標(biāo)記為1～36，如圖9(a)所示。兩種工況下，Type-A和Type-B模型徑向速度分布云圖均顯示出葉片進(jìn)行面徑向速度為負(fù)值，葉片退行面徑向速度為正值的現(xiàn)象，說(shuō)明葉片間通道產(chǎn)生了反旋渦，反旋渦的形成會(huì)使得進(jìn)入轉(zhuǎn)籠葉片間通道的細(xì)粉顆粒在反旋渦的作用下返回到粗粉中，不利于顆粒分級(jí)[18]。從圖9(a)、(c)中可以看出Type-A模型各轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度分布基本相同；從圖9(b)、(d)中可以看出Type-B模型在9～16葉片間通道的徑向速度梯度變化較小，而31～36葉片間通道的徑向速度梯度變化較大，在各轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度分布不均勻。

圖9 轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度云圖(Z=345 mm)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種模型在轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度分布的均勻性，在每個(gè)葉片間通道處設(shè)置50個(gè)均勻分布的測(cè)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)徑向速度的標(biāo)量值計(jì)算每個(gè)葉片間通道測(cè)點(diǎn)的平均徑向速度，通過(guò)葉片間通道測(cè)點(diǎn)的平均徑向速度分布曲線來(lái)分析圓周上各個(gè)葉片間通道徑向速度分布情況，如圖10所示?？梢钥闯觯琓ype-A模型較Type-B模型速度曲線的波動(dòng)幅度更小。計(jì)算曲線標(biāo)準(zhǔn)差，在29-800工況下，Type-A和Type-B模型的曲線標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.615和1.117；在29-1 600工況下，Type-A和Type-B模型的曲線標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.993和1.261。不同工況下Type-A模型平均徑向速度的標(biāo)準(zhǔn)差均比Type-B模型的小，說(shuō)明Type-A模型在圓周上各個(gè)葉片間通道的徑向速度分布比Type-B模型的更均勻。葉片間通道速度場(chǎng)的均勻分布有利于細(xì)粉產(chǎn)品在不同位置進(jìn)入時(shí)均能順利進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，同時(shí)減小了粗細(xì)顆粒相互混雜的概率，從而提高分級(jí)效果。

圖10 轉(zhuǎn)籠葉片間通道平均徑向速度分布曲線

3.3 離散相模擬

為了對(duì)比Type-A模型和Type-B模型中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)一步揭示擾流錐對(duì)顆粒分級(jí)的作用，在連續(xù)相模擬的基礎(chǔ)上加入離散相，模擬顆粒分級(jí)的效果。

ANSYS-Fluent軟件為求解多相流問(wèn)題提供了多種方法，其中在空氣分級(jí)機(jī)領(lǐng)域最常用的是離散相模型(discrete phase model，DPM)。許多研究人員將離散相模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果證明該模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)空氣分級(jí)機(jī)內(nèi)顆粒的分級(jí)效率[19-20]。

多相流離散相模型的選擇主要取決于模型中的顆粒質(zhì)量加載率vp和體積加載率kp，vp和kp計(jì)算公式如下[21-22]。

(2)

(3)

式中，αp為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的顆粒體積；αf為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的氣體體積；ρp為顆粒密度；ρf為氣體密度。

立式渦流空氣分級(jí)機(jī)介質(zhì)為空氣，密度為1.293 kg/m3，物料為碳酸鈣，密度為2 700 kg/m3。本文采用進(jìn)口風(fēng)速為29 m/s，當(dāng)喂料速度為12 kg/h時(shí)，計(jì)算得到質(zhì)量加載率vp為0.052，體積加載率kp為0.002 5%。因體積加載率小于10%，可認(rèn)為分級(jí)機(jī)內(nèi)顆粒稀疏，顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響很小，滿足單相耦合的穩(wěn)態(tài)DPM要求。

以29-800工況為例，顆粒設(shè)置為碳酸鈣，顆粒入射面為喂料口所在平面，該平面直徑為30 mm。設(shè)置細(xì)粉出口所在面的類型為“escape”，粗粉收集漏斗為“trap”，其余壁面設(shè)置為“reflect”，法向反彈系數(shù)kn和切向反彈系數(shù)kt設(shè)置為[13]

(4)

(5)

式中，β為撞擊角度。

為了反映顆粒在復(fù)雜的湍流流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，使用隨機(jī)游走模型(discrete random walk model，DRW)[23]增強(qiáng)湍流對(duì)顆粒流運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性影響。為了保證獲得完整的追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，設(shè)置最大計(jì)算步數(shù)為50 000，積分尺寸為0.005。連續(xù)相上加載粒徑為5～50 μm的顆粒，模擬該工況下不同粒徑碳酸鈣的分級(jí)效率曲線。追蹤各個(gè)粒徑下顆粒的分級(jí)情況，每次設(shè)置800個(gè)同一粒徑顆粒通過(guò)喂料口進(jìn)入分級(jí)機(jī)，通過(guò)模擬計(jì)算得到不同粒徑的逃逸、捕獲情況，最后以逃逸顆粒占顆?？倲?shù)的分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)(模擬所得部分分級(jí)效率)，顆粒粒徑為橫坐標(biāo)繪制部分分級(jí)效率曲線，結(jié)果如圖11所示?？梢缘玫絋ype-A模型和Type-B模型的分級(jí)粒徑d50分別為22.18 μm和28.78 μm。模擬所得Type-A模型和Type-B模型的分級(jí)精度K(d25/d75)分別為65.53%和60.19%。由離散相模擬結(jié)果可以得出，淘洗區(qū)筒體內(nèi)置擾流錐可使分級(jí)粒徑減小22.93%，分級(jí)精度提高8.87%。

圖11 離散相模擬部分分級(jí)效率曲線

4 物料分級(jí)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所得數(shù)值模擬結(jié)果，以碳酸鈣為原料，在29-800和29-1 600兩種工況下對(duì)有、無(wú)擾流錐兩種結(jié)構(gòu)的分級(jí)機(jī)進(jìn)行物料分級(jí)實(shí)驗(yàn)，碳酸鈣原料粒度微分分布如表2所示。通過(guò)激光粒度分析儀(LT3600型，珠海真理光學(xué)儀器有限公司)對(duì)原料及分級(jí)產(chǎn)物進(jìn)行粒度測(cè)定，并計(jì)算粗粉部分的分級(jí)效率，得到的部分分級(jí)效率曲線如圖12所示。由部分分級(jí)效率曲線分別計(jì)算分級(jí)粒徑d50和分級(jí)精度K，結(jié)果如表3所示。

表2 碳酸鈣原料粒度微分分布

表3 分級(jí)實(shí)驗(yàn)性能指標(biāo)

圖12 分級(jí)實(shí)驗(yàn)部分分級(jí)效率曲線

在29-800、29-1 600兩種工況下，Type-A模型的分級(jí)粒徑較小且分級(jí)精度較高。29-800工況下，Type-A模型比Type-B模型的分級(jí)粒徑減小了13.2%，分級(jí)精度提高了4.2%；29-1 600工況下，Type-A模型的分級(jí)粒徑減小了12.18%，分級(jí)精度提高了4.9%。Type-A模型流場(chǎng)分布均勻，上升至環(huán)形區(qū)的細(xì)顆?？梢跃鶆虻赝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)籠葉片間通道，而Type-B模型流場(chǎng)速度較大，分級(jí)粒徑也較大，徑向速度分布的不均導(dǎo)致大顆粒在某些位置進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，分級(jí)精度降低。

分級(jí)機(jī)內(nèi)由細(xì)顆粒團(tuán)聚產(chǎn)生的假大顆粒很容易被收集為粗粉，旁路值是部分分級(jí)效率曲線上的最小值，表示混入被收集為粗粉的細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，它是衡量分級(jí)效率的重要指標(biāo)之一，旁路值越小，分級(jí)效率越高。如圖12所示，在29-800工況下Type-A模型的部分分級(jí)效率曲線中旁路值δ為11.49%，Type-B模型為10.07%；29-1 600工況下，Type-A模型旁路值為24.11%，Type-B模型旁路值為21.13%。在不同工況下，Type-A模型的旁路值均比Type-B模型的大，表明Type-A模型收集到的粗粉中合格的細(xì)粉量較多。假大顆粒在螺旋喂料機(jī)作用下進(jìn)入筒體時(shí)，由于Type-A模型在淘洗區(qū)筒體內(nèi)的氣流相對(duì)均勻，湍流動(dòng)能較小，因此對(duì)于假大顆粒的分散效果略差，導(dǎo)致旁路值較大，進(jìn)入粗粉中的細(xì)粉量略多。

5 結(jié)論

(1)在淘洗區(qū)筒體內(nèi)，擾流錐的存在會(huì)阻礙旋渦的形成，氣流絕對(duì)速度整體較??；筒體內(nèi)小尺寸高頻脈動(dòng)的湍渦數(shù)量變少，使得氣流能夠平穩(wěn)上升至環(huán)形區(qū)，但會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入淘洗區(qū)筒體的原料不能充分預(yù)分散，“魚鉤效應(yīng)”明顯。

(2)擾流錐可以有效提升環(huán)形區(qū)和轉(zhuǎn)籠葉片間通道徑向速度分布的均勻性，使得細(xì)粉產(chǎn)品在轉(zhuǎn)籠不同位置進(jìn)入時(shí)均能順利進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，減小粗細(xì)顆粒相互混雜的概率，提高分級(jí)精度；擾流錐的存在使得氣流上升過(guò)程中能耗增大，氣流徑向速度減小。

(3)顆粒的離散相模型模擬結(jié)果進(jìn)一步表明擾流錐的存在可以減小分級(jí)粒徑，提高分級(jí)精度。碳酸鈣的分級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離散相模擬結(jié)果一致。此外，擾流錐會(huì)導(dǎo)致粉體不能在筒體內(nèi)充分分散，粗粉產(chǎn)品中含有較多的細(xì)粉，旁路值較大。